高壓并聯(lián)電容器的接線及保護(hù)方式的選擇

鄒振球

（日新電機(jī)（無錫）有限公司，江蘇無錫 214112）

并聯(lián)電容器在使用過程中，過電壓產(chǎn)生、保護(hù)配置不科學(xué)，均是導(dǎo)致故障產(chǎn)生的原因。為此，可通過保護(hù)配置優(yōu)化，及時檢測并防控電容器故障問題。為保障電網(wǎng)安全運(yùn)行，并聯(lián)電容器裝置應(yīng)做好并聯(lián)電容器各部件的合理接線并配備科學(xué)的保護(hù)配置，通過電容器裝置統(tǒng)一性及可靠性提升，降低事故概率，并有效降低產(chǎn)生的危害。

1 配電網(wǎng)中并聯(lián)電容器應(yīng)用現(xiàn)狀

并聯(lián)電容器裝置應(yīng)用中出現(xiàn)的問題有外熔斷器及內(nèi)熔絲混用，導(dǎo)致電容器繼電保護(hù)整定值計算誤差較大。保護(hù)選型或選型計算時存在選擇哪種公式的問題。對并聯(lián)電容器的保護(hù)成效會受到一定影響。

2 高壓并聯(lián)電容器各元件接線要求

并聯(lián)電容器結(jié)構(gòu)包含避雷器、放電線圈及電容器等多個元件，在并聯(lián)電容器中接入各個元件時，要把控好接線方法，做到正確，布線合理。

2.1 電容器接線

應(yīng)以系統(tǒng)設(shè)計要求為依據(jù)確定電容器組容量大小。布設(shè)時，要求電容器額定電壓具備運(yùn)行時工頻過電壓承受能力，具體數(shù)值應(yīng)不超過電容器額定電壓的110%。有限流電抗器串聯(lián)在電容器回路上時，與電網(wǎng)接入端電壓相比，電容器兩側(cè)電壓值會顯著提高，這是由于電抗率選擇時，未能以電容器額定電壓作為計算依據(jù)所致。為此，多段串聯(lián)電容器組接線時，需要根據(jù)電容器組額定相電壓與串聯(lián)段數(shù)的比值計算電容器額定電壓，進(jìn)而以此為依據(jù)確定具體的電抗率。單臺電容器容量計算時，除了電容器組總?cè)萘恳约按?lián)段數(shù)以外，還需要將可并聯(lián)接入的電容器總量納入考量。有電抗器串聯(lián)在電容器組上時，需要利用電容器組及電抗器額定容量的差值，求出電容器組的總輸出容量值。

2.2 串聯(lián)電抗接線

串聯(lián)電抗器的作用是對充電涌流、諧波產(chǎn)生一定的抑制作用，若電容器額定電流不足充電時涌流的5%，則串聯(lián)電抗接線時，電抗率應(yīng)高于0.1%，但不可超過1%，以此有效抑制充電涌流。而諧波電流控制時，若接入電網(wǎng)的諧波不小于5，則應(yīng)將電抗率的取值設(shè)定為4.5%～5%。而在電網(wǎng)諧波≥3次以上時，電抗率應(yīng)以12%為宜。通常情況下，電抗器額定電流應(yīng)不小于電容器額定電流，可按照應(yīng)用場合的不同選用空芯或鐵芯（又分為干式鐵芯，油浸鐵芯）兩種類型電抗器。在合閘涌流限制、諧波電流抑制時，串聯(lián)電抗器需安裝于電源側(cè)。安裝在中性點(diǎn)側(cè)，電抗器不會承受過高的電壓，且可減少短路電流產(chǎn)生的沖擊力，有利于規(guī)避安全事故，可保障電網(wǎng)安全運(yùn)行，同時也可節(jié)約電抗器安裝成本。

2.3 其他元件接線

放電線圈接線時，合閘過程中若是有剩余電荷存在，可能導(dǎo)致過電壓產(chǎn)生，為防止這一現(xiàn)象，要確保電容器組與電源分離后，放電線圈具備快速降低電壓的能力，即電容器上的電壓需在5 s 時間內(nèi)降低至50 V 以內(nèi)，此外，為保障放電線圈接線的安全性，放電器回路中，不可接入保護(hù)熔斷器，也不可連接刀開關(guān)。同時，為避免電容器組操作過程中有過電壓形成，接入避雷器時所選器型應(yīng)選用金屬氧化型避雷器，其中以氧化鋅避雷器為最佳。

3 高壓并聯(lián)電容器的保護(hù)方式篩選

3.1 保護(hù)方式類型

高壓并聯(lián)電容器運(yùn)行時，內(nèi)部元件故障發(fā)生率較高，并且極間短路故障也較為常見，此外還可能出現(xiàn)外殼短路故障。目前，電容器內(nèi)部故障應(yīng)以內(nèi)熔絲保護(hù)為主，而應(yīng)將繼電保護(hù)作為后備保護(hù)。由于以往以熔斷器保護(hù)為主的保護(hù)方式雖能快速完成故障切除，但其存在拒動、誤動或群爆的隱患，若以之作為電容器內(nèi)部故障主保護(hù)可能會出現(xiàn)可靠性不足的問題。為防止此問題出現(xiàn)，可通過應(yīng)用斷電保護(hù)方式增強(qiáng)故障主保護(hù)的可靠性。

3.2 幾種常用的繼電保護(hù)方式

利用繼電保護(hù)方式時，一旦某個電容器出現(xiàn)故障，其電容值會發(fā)生改變，因而故障電容及正常電容間的電壓值會高低不等，且電壓也各不一致，由于電流及電壓差值存在會引發(fā)保護(hù)操作，因而繼電保護(hù)屬于不平衡保護(hù)方式，保護(hù)時需將整組電容器全部切除。利用繼電保護(hù)作為主保護(hù)方式時，主要是針對電容器組施加保護(hù)，且要確保電容器組三相平衡，不可出現(xiàn)缺臺運(yùn)行現(xiàn)象。繼電保護(hù)的整定以內(nèi)部元件故障率為依據(jù)，超過50%時方可實(shí)施保護(hù)動作。故障單元電容值越高時，單元總數(shù)越多時，繼電保護(hù)取樣信號越強(qiáng)。

3.2.1 開口三角零序電壓保護(hù)方式

高壓并聯(lián)電容器中，10 kV 容量6000 kvar 以下的電容器組多采用開口三角零序電壓保護(hù)方式，可通過放電線圈二次結(jié)成作為開口三角，利用兩條線將開口端電壓與保護(hù)裝置連接。此種接線方式具備很高的保護(hù)靈敏度。由于中性點(diǎn)不必接地，因而即便系統(tǒng)發(fā)生接地故障，也不會影響電容器組。但若是系統(tǒng)電壓出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象時會對電容器組運(yùn)行帶來相應(yīng)影響。由于10 kV 電容器組所受對地電容不平衡影響并不大，因而此種保護(hù)方式在10 kV 電容器組中應(yīng)用較多。開口三角零序電壓保護(hù)接線圖詳見圖1所示。

圖1 開口三角零序電壓保護(hù)接線圖

3.2.2 電壓差動保護(hù)方式

此種保護(hù)模式下，需利用電壓互感器測量電壓相至中性點(diǎn)之間的電壓變化情況。一旦電容器出現(xiàn)故障，此相會釋放對應(yīng)信號。通常在各相存在兩個串段的電容器組中應(yīng)用電壓差動保護(hù)方式居多，此種保護(hù)方式下，電容器每一個串段連接一個一次線圈，而二次線圈連接時，則需采用差動連接方式。在三相電壓高低不一時并聯(lián)電容器運(yùn)行不會受到影響，且單相接地故障出現(xiàn)后，電容器仍可正常工作。故障發(fā)生時可分相實(shí)施保護(hù)，且具備更高的保護(hù)靈敏度。若是兩個串段或多個電容器同時出現(xiàn)故障，則難以正常做出保護(hù)動作。這是此種保護(hù)方式的缺陷所在。此種保護(hù)方式主要應(yīng)用于等級為10 kV 容量6000 kvar 以上及35 kV 容量20000 kvar 以下，且有專用放電線圈的并聯(lián)電容器保護(hù)中。

3.2.3 中性線不平衡電流/電壓保護(hù)方式

此種保護(hù)方式應(yīng)用下，通常采用不接地星形方法連接電容器，可設(shè)置兩個容量不一的星形，且在二者之間接入一個用于檢測電流值變化的互感器，由于二者容量不同，電流會發(fā)生流動，且流動范圍始終在兩星形中間范圍內(nèi)。網(wǎng)絡(luò)是否平衡不會對此種保護(hù)方式產(chǎn)生影響，且對諧波的敏感度不強(qiáng)。電容器設(shè)有內(nèi)熔絲時可應(yīng)用此種保護(hù)方式，且計算用于檢測電流的互感器額定數(shù)值時，應(yīng)將系統(tǒng)電壓的具體等級納入考量。其中一個電容器因短路而被擊穿時，若各相僅有一個串段，會因高頻放電電流流經(jīng)電流互感器而導(dǎo)致其被毀壞。圖2為采用中性線不平衡電流保護(hù)方式的接線方法。

圖2 中性線不平衡電流保護(hù)方式接線圖

3.2.4 橋式差流保護(hù)

高壓并聯(lián)電容器組的各個相均應(yīng)按照兩臂式連接，將電流互感器接入到兩臂中點(diǎn)或與中點(diǎn)相接近位置處，各處出現(xiàn)故障，均會導(dǎo)致不均衡電流在電流互感器處經(jīng)過。在多電容器組中此種繼電保護(hù)方式較為適用，可構(gòu)建三個獨(dú)立的保護(hù)區(qū)，并且相間電壓不平衡問題對橋式差流保護(hù)的影響較小。等級為35 kV 容量30000 kvar 以上66 kV 容量20000 kvar 以上。橋式差流保護(hù)如圖3所示。

圖3 橋式差流保護(hù)示意圖

4 配電網(wǎng)并聯(lián)電容器事故分析及保護(hù)方式優(yōu)化

4.1 外熔斷器應(yīng)用故障調(diào)查

某變電站35 kV 電容器組出現(xiàn)了故障，其中8號電容器合閘時出現(xiàn)零壓保護(hù)動作彈跳，一個電容器瓷瓶折斷且C 相外熔器全部熔斷爆炸，母排有變形現(xiàn)象。此變電站共有八組35 kV 電容器組，各組均配備36臺電容器，采用的是單星型接電方式，電容器容量均為7200 kvar。故障發(fā)生前，該站35 kV 系統(tǒng)采用母線分段運(yùn)行模式，301母聯(lián)開關(guān)為熱備用狀態(tài)。

4.2 故障原因分析

通過調(diào)取裝置記錄故障波形圖，發(fā)現(xiàn)合閘過程中C 相電流一直處于零狀態(tài)，保護(hù)裝置錄波并無故障出現(xiàn)，確定合閘時C 相熔斷器全部熔斷，因而合閘時C相并無電流。經(jīng)母線電壓波形分析發(fā)現(xiàn)（圖4），三相過電壓均較高，特別是B 相過電壓幅值高于保護(hù)裝置記錄限值，而A 相及C 相分閘后存在相互反相脈沖，二者產(chǎn)生時間有11 ms，此時存在較高的重燃過電壓。因此可判定，內(nèi)部場強(qiáng)過大、開關(guān)重新啟動是電容器被擊穿的主要原因，在高值過電壓形成后，電容器內(nèi)部出現(xiàn)了極間短路。極間短路發(fā)生后，極間電壓升高，使一臺電容器被擊穿，故障電容器回路放電時產(chǎn)生強(qiáng)沖擊電流，使無故障電容器外熔絲被熔斷，因沖擊電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了熔斷器的防爆炸限值，因而本工程中出現(xiàn)了熔斷器爆裂問題，且導(dǎo)致距離較近的母排受到高熱影響而發(fā)生了變形。工作人員查看運(yùn)行記錄時發(fā)現(xiàn)，斷路器兩次重燃時過電壓均較高，避雷器屬于正常動作，三相動作是否同時發(fā)生不能確定。

圖4 分閘時錄波圖

4.3 保護(hù)方式優(yōu)化分析

通過了解本次事故發(fā)生原因發(fā)現(xiàn)，熔斷器作為保護(hù)方式并不可靠，由于大電流電熔器外熔絲不具備良好的開斷性能，本電站應(yīng)淘汰熔斷器保護(hù)方法。同時，電容器組開關(guān)選型需要進(jìn)一步加強(qiáng)，應(yīng)選用具備良好電容電流開斷性能的斷路器，以防止開斷過程中出現(xiàn)開關(guān)重燃問題，進(jìn)而有效防止重燃時產(chǎn)生過電壓。

5 結(jié)束語

電容器組是由電容器、電抗器、外熔絲、保護(hù)二次設(shè)備等多個配套元件組合而成的，電容器組設(shè)備選型時要遵循科學(xué)性與合理性原則，做好設(shè)備保護(hù)配置優(yōu)化，以便從源頭上防止電容器組出現(xiàn)運(yùn)行事故。電容器組接線時，應(yīng)掌握各元件接線方法及要求。設(shè)備配置過程中，應(yīng)盡可能避免混合應(yīng)用內(nèi)熔絲及外熔斷器，同時應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)諧波大小科學(xué)選擇電抗率，且結(jié)合電網(wǎng)實(shí)際情況科學(xué)選用開口三角零序電壓保護(hù)、電壓差動保護(hù)、中性線不平衡電流/電壓保護(hù)、橋式差流保護(hù)四種繼電保護(hù)方式，通過加大保護(hù)配置投入為電容器組的運(yùn)行安全提供保障。